白皮书
激光聚合物焊接：成功设计之道
与其他连接方法相比，激光聚合物焊接具有多项优势，但要正确实施该技术，必须对其有充分的了解，而且在产品开发周期的早期阶段与经验丰富的设备供应商进行沟通往往大有裨益。
与其他材料相比，聚合物具有多项独特的特性和优势。这些特性包括高强度重量比、机械柔韧性、耐腐蚀性、生物相容性、电绝缘和热绝缘性能，某些情况下甚至还具有光学透明性。在制造方面，聚合物部件通常可通过各种成型工艺生产。这些方法具有高产量和低单位成本的特点。
所有这些因素促使聚合物在包装、汽车制造、医疗器械众多领域得到更广泛的应用。在这些应用中，一个普遍的要求是在产品组装过程中将两个或多个聚合物部件进行连接。对于涉及精密产品的应用，例如医疗植入物和电子传感器，这种连接必须具备高机械精度、极少的颗粒碎屑产生以及优异的粘接强度。
在批量生产中，通常采用某种焊接工艺，而非单纯的粘接。这是因为焊接通常比粘接更快、更精确，且能形成更牢固、更可靠的连接。
“聚合物零部件的应用日益广泛，特别是在高精度产品领域，这促使制造商寻求能够提供更优质焊缝、提高生产效率并降低成本的连接技术。”
There are numerous different polymer welding methods in use. Usually these involve selectively melting the material using applied heat, through friction or vibration, or even by the use of chemical solvents. Each of these techniques has its advantages and uses.
激光聚合物焊接因其具备一系列独特的优势，在要求最为严苛的应用领域中越来越受欢迎。这些优势包括：
| 精度 | 激光能量的高局部化照射几乎不会引起工件变形，能确保严格的尺寸公差，且适用于形状复杂的工件 |
| 重复性 | 激光加工工艺本身具有高度的一致性，并且可以通过工艺监测设备进行精确调控 |
| 焊接质量 | 焊缝狭窄，外观极佳（无飞边），且极少需要后续处理 |
| 焊缝强度 | 激光焊接 牢固的焊缝，无间隙，并可实现气密密封 |
| 低污染 | 激光焊接 使用填充材料，且几乎不产生废料 |
| 速度 | 该流程高效且运行良好，非常适合自动化 |
激光聚合物焊接基础
激光聚合物焊接利用激光作为热源来熔化材料。根据待连接的材料、应用的具体要求以及成本或速度等各种生产因素，该工艺可采用多种不同的实施方式。
一种最实用且应用广泛的技术被称为激光焊接透射激光焊接（TTLW）。该方法用于将由透明塑料制成的部件与不透明部件进行连接。在此情况下，“透明”和“不透明”特指部件是否吸收或透射所用激光的波长，而非指其视觉上的透明或不透明。
图1：在TTLW工艺中，激光束 透明塑料件，被其下方的不透明部件吸收。这会使下方的部件受热熔化，从而将两个部件焊接在一起。
根据工件的尺寸和形状、所需的产量速度、期望的焊接质量和特性以及其他因素，TTLW（三点焊接）有多种不同的实施方式。其中一种最实用且用途最广的方法被称为准同步焊接。
在准同步焊接中，两个部件要么被夹紧在一起，要么直接联系，且透明部件位于上方。激光通过透明部件聚焦，并向下照射至不透明部件。不透明聚合物吸收激光，受热熔化。其产生的热量也会熔化部分透明部件。
激光束 快速激光束 描绘出所需焊缝的轮廓。通常，激光束会沿该轮廓反复扫描多次，从而使整个焊接路径同时熔化（因此得名）。待整个焊接路径熔化后，激光关闭，熔融材料迅速凝固，形成焊缝。
准同步 TTLW 是一种快速、灵活的方法，能形成优异的焊缝并实现高生产效率。该方法最适用于完全位于同一平面（平面）上的焊缝，或高度变化较小的焊缝。
图2：在准同步焊接中，激光束 快速扫描整个焊缝路径，以便一次性熔化所有区域。
折叠肋骨法
一种常用于准同时式 TTLW 的特定零件结构被称为“收缩凸肋”法。在此结构中，下部零件有一个薄薄的凸出凸肋，与上部零件上的对应凹槽相配合。不过，该凹槽的宽度比凸肋稍宽一些
焊接过程中，激光会将底肋部分熔化，同时夹具会将两个部件紧密压合。部分底肋熔化后，熔融金属会流动并填充上下部件之间的部分间隙。随后，这些熔融金属重新凝固，从而形成焊缝。
图3：“折叠肋”法实现准同时性TTLW的主要步骤示意图。
This particular embodiment of TTLW is especially useful because it delivers a good weld joint even if the parts aren’t perfectly flat or tightly toleranced. Plus, the “collapse height” – that is, the amount that the top part moves down during the welding process – can be monitored and used for closed loop process control. This enables very consistent results in volume production, even in the presence of part-to-part variations in dimensions or material absorption of laser energy. It can even compensate for changes in laser output power or focused laser spot characteristics..
成功之道
当然，将 TTLW 聚合物焊接技术投入生产涉及许多细节和考量因素。那么，如何才能最好地实施这项技术呢？在开始生产之前，甚至在产品设计阶段，实际上就有三点关键因素需要考虑。
The first of these is material selection. It is essential that there be some temperature range over which both polymers (clear and opaque) will remain molten (but not decompose) for the method to work. The greater this overlap, the wider the process window. And, a wider process window makes production easier and more robust. The chart summarizes which common polymer combinations are compatible with laser welding.
图4：与TTLW兼容的材料组合。
高意 激光聚合物焊接系统可轻松集成到生产环境中。”
接下来需要考虑的是“面向制造的设计”问题。例如，采用折叠加强筋工艺时，零件设计必须太空 适当位置预留足够的太空 ，以便焊接时夹具能够咬合，同时还要确保激光束能够无阻碍地覆盖整个焊接路径。
肋条和凹槽的尺寸与形状也必须经过精心选择，以确保为焊接过程提供充足的材料，并容纳焊接过程中产生的熔融飞边。此外，在设计零件时还需预留足够的收缩余量。对于高精度应用，可能需要在零件设计中加入定位销等对准特征。其目标是实现牢固的焊缝和良好的焊缝外观，同时避免后续加工中对飞边进行修整或去除。
最后，还有围绕工艺开发的一系列问题。具体而言，首先需要为聚合物材料选择合适的激光源，确定最佳的激光工作参数，并明确必须监测或控制哪些工艺变量才能达到预期的产量。此外，在工件处理、聚合物焊接系统与其他生产设备的机械及软件接口方面，可能还存在各种实际问题，当然还包括拥有成本。
解决所有这些问题的最简便方法，是与能够提供应用开发支持的供应商建立合作关系。具体而言，这意味着要寻找一家能够通过测试确定哪种系统配置能取得最佳效果的供应商，甚至可能协助确定生产过程中最优的激光参数。高意 正是提供此类服务的供应商，高意 生产可轻松集成到生产环境中的激光聚合物焊接系统。
摘要
总而言激光焊接 聚合物零件的高精度连接，且在各种生产规模下都是一种经济高效的方法。它有助于实现聚合物在降低成本、减轻重量以及为各类产品提供先进功能方面的优势。除非企业本身已具备聚合物焊接的专业技术，否则从一开始就与经验丰富的设备供应商合作，将有助于有效实施该工艺。